Generazione di dati sintetici di risonanza magnetica cerebrale

L’applicazione degli algoritmi di Intelligenza Artificiale (AI) al settore dell’imaging medico potrebbe apportare numerosi miglioramenti alla qualità delle cure erogate ai pazienti. Tuttavia, per poterla mettere a frutto si devono ancora superare alcuni limiti legati alla necessità di grandi quantità di immagini acquisite su pazienti reali, utili nell’addestramento degli stessi algoritmi. Il principale limite è costituito dalle norme che tutelano la privacy di dati sensibili, tra cui sono incluse le immagini mediche. La generazione di grandi dataset di immagini sintetiche, ottenute con algoritmi di Deep Learning (DL), sembra essere la soluzione a questi problemi.

Valutazione di tecniche di risonanza magnetica a basso campo

L’Imaging di Risonanza Magnetica (MRI) è una tecnica diagnostica multiparametrica e non dannosa che permette di acquisire immagini nelle quali risiedono informazioni di natura anatomica e funzionale. Utilizzando un campo magnetico di intensità bassa è possibile ottenere scanner portatili, silenziosi, sicuri ed economici evitando l’installazione di schermature magnetiche e a radiofrequenza. La risoluzione e il rapporto segnale rumore di queste immagini non è ottimale e gli artefatti da movimento sono considerevoli. Nonostante ciò, lo scanner MRI a basso campo è in grado di fornire immagini con importante valore diagnostico, in particolare in quei contesti in cui un esame tramite risonanza tradizionale non risulta possibile.

Histochemical characterization of 3D bioprinted meniscus

La cartilagine ad oggi rappresenta ancora una sfida per la medicina rigenerativa a causa della sua scarsa capacità di rigenerarsi quando sottoposta a gravi lesioni tissutali. Inoltre, la sua struttura complessa e l'ambiente biologico che offre sono ancora difficili da riprodurre con precisione mediante l’utilizzo di strutture bioartificiali e biomimetiche. Sebbene gli interventi per riparare i danni al tessuto cartilagineo siano ancora prevalentemente di stampo chirurgico, si stanno aprendo nuove strade nel campo dell'ingegneria tissutale volte a ricreare una struttura simile a quella originaria, che possa indurre la rigenerazione o sostituire direttamente il tessuto danneggiato. Lo studio condotto e discusso in questo elaborato mira a soddisfare quest'ultimo intento, ponendo le basi per un'eventuale evoluzione sperimentale della stampa del menisco. La ricerca si è basata sulla biostampa 3D di campioni di menisco, di dimensioni pari a circa 1 cm2, realizzati mediante un bioinchiostro a base di alginato e nanocellulosa, al cui interno sono stati immersi sferoidi/microtessuti di condrociti con diversa concentrazione. La stampa dei campioni è avvenuta in tre diverse condizioni: i) solo bioinchiostro, ii) bioinchiostro contenente sferoidi da 5000 cellule, iii) bioinchiostro contenente sferoidi da 10000 cellule. Al termine della stampa sono stati analizzati i campioni per verificare la sopravvivenza delle cellule e investigare l'attitudine di queste di ricreare matrice extracellulare cartilaginea nelle condizioni ambientali in cui sono state introdotte. A questo proposito, sono state eseguite delle analisi istochimiche, quali la RT-PCR e l’analisi istologica. Inoltre, a partire dalle immagini al microscopio degli sferoidi a seguito della loro formazione e dalle sezioni istologiche, sono state analizzate le dimensioni dei campioni per confrontare l'eventuale variazione volumetrica di questi prima della stampa e a seguito del processo di estrusione.

Valutazione delle tecniche di parallelizzazione nell'addestramento di una CNN per la diagnostica del cancro al seno.

Il cancro è un processo autosufficiente e adattivo che interagisce dinamicamente con il suo microambiente, la cui diagnosi, complessa e dispendiosa in termini di tempo e numero di specialisti impiegati, viene solitamente effettuata valutando l’imaging radiografico oppure effettuando un esame istologico. L'interpretazione di tali immagini risulta generalmente molto complessa, a questo scopo sarebbe molto utile poter addestrare un computer a comprendere tali immagini potendo di fatto affiancarsi allo specialista, senza sostituirlo, al momento della diagnosi. A questo scopo è possibile affidarsi alle tecniche di apprendimento automatico, sistema alla base dell’intelligenza artificiale (AI), le quali permettono di fatto di apprendere automaticamente la rappresentazione delle caratteristiche da immagini campione. Tali tecniche di intelligenza artificiale, hanno però bisogno, per essere addestrate, di grandi quantità di dati in cui il segnale di uscita desiderato è noto, comportando di fatto un aumento delle tempistiche di addestramento. Inoltre, in ambito sanitario, i dati sono distribuiti su più archivi, dislocati sul territorio nazionale, rendendo impossibile l’utilizzo di soluzioni centralizzate. L’obbiettivo di questa trattazione sarà cercare di trovare una soluzione a queste due problematiche, ricorrendo all’utilizzo delle tecniche di parallelizzazione. A seguito dell'introduzione dello scenario biologico e delle tecniche di diagnostica ad esso associato è presentato il percorso di creazione della rete neurale. A seguito del suo addestramento sulla GPU di una singola macchina, ottenendo un'accuratezza dell'83.94% in 5 ore 48 minuti e 43 secondi, è stata introdotto la parallelizzazione ed una sua implementazione. In conclusione, sfruttando il sistema implementato, è stata distribuita la fase di addestramento prima su due macchine e poi su tre, ottenendo una diminuzione del tempo di addestramento rispettivamente del 31.4% e del 50%.

A medical imaging-based approach for total shoulder replacement

Ogni anno in Italia, migliaia di protesi convenzionali vengono impiantate con successo in pazienti affetti da artrosi alla spalla, tuttavia è stato dimostrato che questa tipologia di protesi non funziona in quei pazienti che soffrono contemporaneamente anche di grandi lesioni alla cuffia dei rotatori, ricorrendo successivamente a un impianto di protesi di spalla inversa. La scelta sul miglior tipo di protesi da parte del chirurgo è quindi fondamentale e necessaria per evitare futuri stress e operazioni al paziente. Nel corso degli anni si è fatto affidamento a protocolli che non considerano in maniera specifica la componente tissutale ossea. In questa tesi si cerca di dimostrare che attraverso l’utilizzo delle immagini mediche è possibile ricavare dati e grafici specifici sulla componente ossea del paziente per ottimizzare poi la scelta della protesi da parte del chirurgo e la fase pre/intra operatoria.

Percezione depth guidata mediante proiezione virtuale di pattern

L’utilizzo di informazioni di profondità è oggi di fondamentale utilità per molteplici settori applicativi come la robotica, la guida autonoma o assistita, la realtà aumentata e il monitoraggio ambientale. I sensori di profondità disponibili possono essere divisi in attivi e passivi, dove i sensori passivi ricavano le informazioni di profondità dall'ambiente senza emettere segnali, bensì utilizzando i segnali provenienti dall'ambiente (e.g., luce solare). Nei sensori depth passivi stereo è richiesto un algoritmo per elaborare le immagini delle due camere: la tecnica di stereo matching viene utilizzata appunto per stimare la profondità di una scena. Di recente la ricerca si è occupata anche della sinergia con sensori attivi al fine di migliorare la stima della depth ottenuta da un sensore stereo: si utilizzano i punti affidabili generati dal sensore attivo per guidare l'algoritmo di stereo matching verso la soluzione corretta. In questa tesi si è deciso di affrontare questa tematica da un punto di vista nuovo, utilizzando un sistema di proiezione virtuale di punti corrispondenti in immagini stereo: i pixel delle immagini vengono alterati per guidare l'algoritmo ottimizzando i costi. Un altro vantaggio della strategia proposta è la possibilità di iterare il processo, andando a cambiare il pattern in ogni passo: aggregando i passi in un unico risultato, è possibile migliorare il risultato finale. I punti affidabili sono ottenuti mediante sensori attivi (e.g. LiDAR, ToF), oppure direttamente dalle immagini, stimando la confidenza delle mappe prodotte dal medesimo sistema stereo: la confidenza permette di classificare la bontà di un punto fornito dall'algoritmo di matching. Nel corso della tesi sono stati utilizzati sensori attivi per verificare l'efficacia della proiezione virtuale, ma sono state anche effettuate analisi sulle misure di confidenza: lo scopo è verificare se le misure di confidenza possono rimpiazzare o assistere i sensori attivi.

Tecniche di estrazione dei contorni

In questa tesi abbiamo analizzato diverse tecniche di estrazione dei bordi, al fine di separare l'oggetto dallo sfondo o dagli altri oggetti di un'immagine digitale. I vari metodi sono stati confrontati su alcune immagini di test per meglio comprenderne pregi e difetti.

LIFE4Pollinators app: gamification, citizen science e machine learning per la classificazione e monitoraggio degli insetti impollinatori

Il tema della biodiversità sta assumendo sempre più importanza negli ultimi decenni a causa delle condizioni di rischio, dovute alle attività umane, a cui l'intero mondo naturale è costantemente sottoposto. In questo contesto diventa sempre più importante l'educazione ambientale per aumentare la consapevolezza delle persone e per far si che ognuno possa adottare i dovuti accorgimenti nel rispetto e nella preservazione della natura. Questo progetto nasce con l'obiettivo di approfondire il tema della sensibilizzazione, attraverso lo sviluppo di una applicazione nativa android in grado di classificare gli insetti impollinatori e che, grazie all'integrazione di elementi di gamification, sia in grado di motivare l'utente ad approfondire le proprie conoscenze. Il progetto di tesi è suddiviso in tre capitoli: il primo descrive i concetti di biodiversità, gamification e citizen science su cui si basa l'elaborato; il secondo capitolo rappresenta la fase di progettazione per strutturare il database, le interfacce grafiche e per capire le tecnologie migliore da utilizzare; infine il terzo capitolo mostra l'implementazione completa del progetto, descrivendone nel dettaglio le funzionalità.

Analisi e confronto di strutture di accelerazione spaziale per il Raytracing

Il Raytracing è una delle tecniche più utilizzate per generare immagini fotorealistiche. Introdotto nel mondo del rendering da più di 40 anni, col tempo si è evoluto, e ad oggi è considerato la tecnica standard in industrie come VFX e film d'animazione. Il problema del Raytracing risiede nel fatto che per essere applicato, bisogna effettuare dei test d'intersezione, raggio-primitiva, con tutti gli oggetti presenti nella scena da renderizzare. Sebbene queste operazioni siano tutto sommato semplici, tipicamente il numero degli oggetti su cui vanno effettuate è talmente elevato che l'applicazione di questa tecnica diventa impraticabile. Per questo si è pensato di raggruppare le primitive in speciali strutture dati chiamate Strutture di accelerazione spaziale. Esse hanno il compito di ridurre il numero di test da effettuare, abbassando il costo asintotico della ricerca da lineare a sub-lineare (o logaritmico) nel numero di primitive. Nel corso degli anni sono state introdotte diverse strutture di accelerazione spaziale per il Raytracing, ognuna con le sue peculiarità, i suoi vantaggi ed i suoi svantaggi. In questa tesi verranno studiate alcune delle principali strutture di accelerazione spaziale (BVH, Uniform Grid ed Octree), concentrandosi in particolare sulle tecniche di costruzione ed attraversamento di ognuna di esse. Per farlo, verrà anche trattato tutto il background necessario sul Raytracing e Le strutture di accelerazione verranno anche implementate e messe a confronto su diverse scene. Il confronto permetterà di evidenziare come ognuna di esse porti dei vantaggi, e che non esiste una struttura di accelerazione assolutamente migliore delle altre.

Mappatura della potenza degli echi del radar MARSIS per l'identificazione della presenza di ghiaccio nel terreno marziano

La superficie marziana è stata analizzata per decenni con immagini e tecniche spettroscopiche, sensibili alle proprietà dei primi millimetri e micrometri del terreno. Le zone sotto la superficie sono state studiate solo indirettamente fino al 2001, quando venne sviluppata la missione Mars Odyssey. Successivamente, è stato lanciato il Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosfere Sounding (MARSIS) a bordo di Mars Express, con l'obiettivo di ricercare ghiaccio e acqua sul pianeta rosso. In questo lavoro è stata mappata la potenza degli echi raccolti da MARSIS, ottenuti ad una frequenza di 4.0 MHz, ispirandosi al lavoro descritto in Mouginot et al. (2010). I valori utilizzati sono stati selezionati tenendo conto degli effetti dell'attenuazione del segnale da parte della ionosfera e della rugosità della superficie. Dalle mappe degli echi, risultanti dall'analisi, si è potuta ricavare la costante dielettrica dello strato sotto la superficie. I dati sono stati normalizzati con una simulazione dei segnali di MARSIS, ottenuta a partire dalla topografia del Marsis Orbiter Laser Altimeter (MOLA). Si osserva che le proprietà dielettriche variano con la latitudine, con valori alti tra 20° e 40° e più bassi ai poli e all'equatore. Le tre zone di maggiore interesse, ovvero le due calotte polari e la Formazione Medusae Fossae, appaiono in blu nella Fig. 4.5. Ciò suggerisce che siano costituite da materiali con una costante dielettrica compresa tra 2 e 4, tipica del ghiaccio. Si pensa, però, che esse possiedano diverse quantità di impurità.

L'arte del videoclip: evoluzione e caratteristiche

A partire dagli anni Novanta del secolo scorso, il nostro rapporto con il videoclip è diventato pressoché quotidiano, oggi possiamo scegliere in ogni momento quali videoclip guardare grazie a siti come Youtube o Vimeo, ai social media, o a piattaforme come Spotify. Il videoclip da semplice sequenza di immagini che accompagnavano le parole e le melodie di una canzone, è diventato un genere dotato di piena dignità creativa e artistica, caratterizzato da fasi preparatorie spesso molto complesse e dall’utilizzo di tecnologie sofisticate e personale altamente qualificato che non lo rendono secondario a nessuno dei prodotti dell’universo cinematografico. Scopo di questa tesi è infatti dimostrare che il mondo del videoclip non è abitato da registi e operatori minori, ma popolato in gran parte da professionisti di grande spessore artistico che ambiscono a realizzare prodotti di importante valore creativo. Infatti, il presente lavoro intende, da un lato, rendere esplicita l’identità del videoclip, della sua morfologia, del suo linguaggio e dei suoi modelli, dall’altro far emergere il tema dell’autorialità del videoclip, nell’ottica, appunto, di nobilitarlo e rendere evidente che si tratti di un prodotto cinematografico non secondario ad altre tipologie di lavoro nel campo della pellicola.

Audiovisivo e disabilità: rappresentazione, accessibilità, evoluzioni

L'elaborato analizza il rapporto tra l'audiovisivo in generale e le disabilità. Nel dettaglio vengono, innanzitutto, illustrati i metodi che rendono accessibile un prodotto audiovisivo, come sottotitoli o interpreti in lingua dei segni per i sordi, oppure audio descrizioni per le persone cieche. Successivamente, attraverso l'approfondimento di numerosi film e serie tv, ma anche spot pubblicitari e cortometraggi, viene affrontato il tema della rappresentazione, che deve essere più trasparente e veritiera nei confronti del pubblico, anche e soprattutto per chi si approccia per la prima volta alle disabilità. Il terzo capitolo è un caso di studio sulla sordità. Si passa da una breve storia fino agli errori più comuni che si effettuano ancora oggi quando si parla di cultura dei sordi. Durante il corso della tesi ci si porrà diverse domande. Quanto conta realmente la persona disabile quando si parla di intrattenimento? Può essere corretto affidare ad un attore normodotato il ruolo di un personaggio disabile? I prodotti audiovisivi al giorno d'oggi presenti sul mercato possono essere al 100% accessibili? La ricerca è arricchita, oltre che con grafici ed immagini, anche con un'intervista a due autori che hanno inserito un personaggio disabile nella loro opera degli anni Duemila. Infine, verranno proposte decine e decine di titoli che spaziano tra diverse disabilità, in modo da permettere un approfondimento ulteriore al di fuori di questo elaborato. Il lavoro finale dimostra come la strada verso un audiovisivo sempre più accessibile ha fatto grandi passi nel corso degli anni, ma è necessaria ancora molta ricerca, informazione e conoscenza in tutte le sfaccettature della disabilità, per permettere un inclusione ed integrazione totale.

Validation of microFE models of human metastatic vertebrae

La colonna vertebrale è uno dei principali siti per lo sviluppo delle metastasi ossee. Esse modificano le proprietà meccaniche della vertebra indebolendo la struttura e inducendo l’instabilità spinale. La medicina in silico e i modelli agli elementi finiti (FE) hanno trovato spazio nello studio del comportamento meccanico delle vertebre, permettendo una valutazione delle loro proprietà meccaniche anche in presenza di metastasi. In questo studio ho validato i campi di spostamento predetti da modelli microFE di vertebre umane, con e senza metastasi, rispetto agli spostamenti misurati mediante Digital Volume Correlation (DVC). Sono stati utilizzati 4 provini da donatore umano, ognuno composto da una vertebra sana e da una vertebra con metastasi litica. Per ogni vertebra è stato sviluppato un modello microFE omogeneo, lineare e isotropo basato su sequenze di immagini ad alta risoluzione ottenute con microCT (voxel size = 39 μm). Sono state imposte come condizioni al contorno gli spostamenti ottenuti con la DVC nelle fette prossimali e distali di ogni vertebra. I modelli microFE hanno mostrato buone capacità predittive degli spostamenti interni sia per le vertebre di controllo che per quelle metastatiche. Per range di spostamento superiori a 100 μm, il valore di R2 è risultato compreso tra 0.70 e 0.99 e il valore di RMSE% tra 1.01% e 21.88%. Dalle analisi dei campi di deformazione predetti dai modelli microFE sono state evidenziate regioni a maggior deformazione nelle vertebre metastatiche, in particolare in prossimità delle lesioni. Questi risultati sono in accordo con le misure sperimentali effettuate con la DVC. Si può assumere quindi che il modello microFE lineare omogeneo isotropo in campo elastico produca risultati attendibili sia per le vertebre sane sia per le vertebre metastatiche. La procedura di validazione implementata potrebbe essere utilizzata per approfondire lo studio delle proprietà meccaniche delle lesioni blastiche.

Analisi di video con visione binoculare

Nel TCR - Termina container Ravenna, è importante che nel momento di scarico del container sul camion non siano presenti persone nell’area. In questo elaborato si descrive la realizzazione e il funzionamento di un sistema di allarme automatico, in grado di rilevare persone ed eventualmente interrompere la procedura di scarico del container. Tale sistema si basa sulla tecnica della object segmentation tramite rimozione dello sfondo, a cui viene affiancata una classificazione e rimozione delle eventuali ombre con un metodo cromatico. Inoltre viene identificata la possibile testa di una persona e avendo a disposizione due telecamere, si mette in atto una visione binoculare per calcolarne l’altezza. Infine, viene presa in considerazione anche la dinamica del sistema, per cui la classificazione di una persona si può basare sulla grandezza, altezza e velocità dell’oggetto individuato.

Uno studio dell'anatomia in 3 D per l'ingegneria biomedica

Il progresso tecnologico permette l’introduzione di sempre più nuove risorse e sistemi virtuali nel campo dell’ingegneria biomedica e della medicina. La Anatomage Table 7.0 (Anatomage Inc., San Jose, CA, USA) si presenta, ad oggi, come un dispositivo d’avanguardia. Utilizzato principalmente per l’insegnamento e lo studio tridimensionale di anatomia, fisiologia e istologia del corpo umano, mediante riproduzioni reali e ad alta definizione di ogni sezione corporea, potrebbe diventare utile e d’innovazione anche per il settore biomedicale. Per investigare il suo possibile utilizzo nel campo della biomedica, sono state analizzate le funzioni principali di questo tavolo anatomico. La ricerca non ha riguardato solo la parte anatomica, ma soprattutto la cinematica e la corposa Case library, che permette uno studio approfondito di numerose patologie, attraverso simulazioni ed esami caricati nell’applicazione TableEDU 8.0.2. Inoltre, per dare un esempio delle numerose capacità di questo device medico, sono andato a studiare l’articolazione di ginocchio, avendo la possibilità di utilizzare immagini DICOM di esami reali e la simulazione di un intervento coronario percutaneo. Questo ha permesso di evidenziare tutte le potenzialità di questo tavolo anatomico e di riflettere su nuove possibilità di utilizzo nel campo della biomedica.